屠濤雄，嚴(yán)漢光，趙永狀，易武強(qiáng)

1.武漢天高熔接股份有限公司 湖北武漢 430056

2.廣船國(guó)際有限公司 廣東廣州 510000

3.新大洋造船有限公司 江蘇揚(yáng)州 225000

1 序言

近年來(lái)，在造船、建筑、橋梁、石油化工及海洋平臺(tái)等領(lǐng)域，隨著焊接結(jié)構(gòu)的大型化和大跨度化，焊接效率決定了總制造成本，因此，在中厚板焊接領(lǐng)域氣電立焊、埋弧焊、電渣焊等大熱輸入焊接方法已相繼得到了廣泛應(yīng)用[1]。但是，對(duì)于厚板焊接一直是困擾制造廠(chǎng)家的難題，如焊接周期長(zhǎng)、焊接道層多、需要反復(fù)翻轉(zhuǎn)等問(wèn)題。本文介紹了加合金粉填充的多絲埋弧焊接工藝，采用大熱輸入焊接提高焊接效率的同時(shí)，保證焊接接頭的力學(xué)性能[2]，實(shí)現(xiàn)了150mm超厚板的高效焊接。

2 工藝介紹

150mm超厚板多絲埋弧焊高效焊接技術(shù)采用特殊階梯形坡口，中間留20mm的鈍邊，對(duì)接焊縫坡口如圖1所示。

圖1 焊接坡口

采用大直徑焊絲（φ4.8mm/φ6.4mm）的三絲埋弧焊，前絲直流（φ4.8mm），焊槍前傾角15°，中絲和后絲交流（φ6.4mm），中槍垂直，焊槍后傾角15°。前絲與中絲間隔35mm，中絲與后絲間隔75mm，焊絲分布如圖2所示。

圖2 焊絲分布

3 試驗(yàn)材料、設(shè)備及方法

試驗(yàn)用鋼板材質(zhì)為Q355D，符合GB/T 1591—2018《低合金高強(qiáng)度結(jié)構(gòu)鋼》的規(guī)定。試板尺寸為150mm×200mm×1000mm，引弧板100mm×100mm，收弧板400mm×100mm。為了提高焊接效率，焊接前填充了特殊研制的合金粉，顆粒度為80～100目（0.18～0.15mm）。焊劑為特種高效埋弧焊劑，焊劑顆粒度為12～80目（1.7～0.18mm）。焊接材料化學(xué)成分見(jiàn)表1～表3。焊機(jī)型號(hào)為林肯DC1500+AC1200+AC1200埋弧焊機(jī)，焊接參數(shù)見(jiàn)表4，熱輸入高達(dá)600kJ/cm。焊前對(duì)母材Q355D板進(jìn)行待焊接區(qū)清理并對(duì)引弧端350～400mm長(zhǎng)的焊縫及兩側(cè)100mm范圍內(nèi)預(yù)熱100～150℃。焊縫外觀如圖3所示。

圖3 焊縫外觀

表1 埋弧焊絲化學(xué)成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)） （%）

表3 合金粉化學(xué)成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)） （%）

表4 150mm厚鋼板焊接參數(shù)

通過(guò)對(duì)以上焊接接頭進(jìn)行超聲波檢測(cè)，均未發(fā)現(xiàn)任何超標(biāo)缺陷，接頭宏觀金相顯示熔合情況良好。

4 工藝特點(diǎn)

1）坡口采用U形+階梯狀坡口，U形坡口更有利于增加熔深，階梯狀坡口有利于第一道焊縫的排渣、脫渣。由于第一道深熔大熱輸入焊接，熔渣多且厚，所以第一道階梯給予熔渣體積空間，能有效防止焊縫夾渣。焊道布置如圖4所示。

圖4 焊道布置

2）為防止在大熱輸入焊接條件下的燒穿情況發(fā)生，焊接第一道前，在背面焊縫處貼特質(zhì)柔性襯墊以防止燒穿。柔性襯墊外部采用玻璃纖維材質(zhì)包裹，內(nèi)部填充高熔點(diǎn)襯墊材質(zhì)物料，柔性襯墊外觀如圖5所示。柔性襯墊的特點(diǎn)是能很好地與背面焊縫貼合，并具有較高熔點(diǎn)，即使在第一道焊透的條件下仍能有效地襯托住鐵液，防止燒穿。

圖5 柔性襯墊外觀

3）焊絲縱向排列，前絲直流與中絲交流共熔池，因熱輸入較大、熔池長(zhǎng)，故為不互相干擾，應(yīng)與后絲交流間隔35mm。前絲采用φ4.8mm焊絲，并且前傾角15°，可以獲得較大的熔深，熔透鈍邊。中絲采用φ6.4mm焊絲，垂直焊縫，焊絲直徑大，熔寬相對(duì)較寬，可以更好地保證坡口兩側(cè)熔合。后絲且前傾15°，可以獲得較大的熔深，熔透鈍邊。中絲采用φ6.4mm焊絲，后傾角15°，后兩根焊絲間隔75mm，在增大熔敷量的同時(shí)，焊絲后傾可以獲得較大的熔寬，一道蓋面[2]。

表2 埋弧焊劑化學(xué)成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)） （%）

4）在第一道采用高達(dá)600kJ/cm的深熔大熱輸入焊縫中加入一定量的合金粉，首先，能一定程度上增大熔覆效率；其次，由于合金粉的吸熱及勻化作用，分散了第一根焊絲大電流的電流密度，一定程度上減小了鋼板承受的大電流密度，對(duì)減小焊接接頭熱影響區(qū)的性能惡化有積極作用；最后，通過(guò)在合金粉中加入適量的細(xì)化組織晶粒元素，對(duì)提升焊縫沖擊韌度有積極作用。

5）大熱輸入焊接工藝，不同的鋼種，由于成分以及軋制狀態(tài)不同，因此熱輸入對(duì)熱影響區(qū)韌性的影響也不同。對(duì)于Q355級(jí)熱扎、正火狀態(tài)的鋼材，合金元素少，碳含量高，一般情況下，當(dāng)采用小熱輸入方法焊接時(shí)，冷卻速度較快，易得到上貝氏體組織，晶粒比較細(xì)小，接頭性能良好；相反，當(dāng)采用大熱輸入方法焊接時(shí)，冷卻速度較慢，晶粒粗大，將嚴(yán)重降低熱影響區(qū)韌性?？傮w來(lái)說(shuō)，這類(lèi)鋼材采用大熱輸入方法焊接時(shí)，如果選用的焊材和焊接參數(shù)不當(dāng)，將容易產(chǎn)生接頭沖擊韌度不合格的問(wèn)題。

5 焊劑特點(diǎn)

1）焊劑主要熔渣為MgO+SiO2+TiO+CaF2體系，堿度值為1.5，能獲得大熱輸入條件下良好的焊接工藝性能。

2）焊劑中合金比例接近40%，合金成分主要為Mn、Si、Ti、Fe。因焊接熱輸入較大，熔池合金會(huì)有一定燒損，通過(guò)焊劑中的Mn、Si過(guò)渡，保證焊縫的合金成分，使焊接接頭擁有一定的強(qiáng)度與韌性。Ti-B系細(xì)化鐵素體組織晶粒是十分明顯的，通過(guò)焊絲和焊劑過(guò)渡Ti與B共同作用，可細(xì)化熔池組織晶粒。同時(shí)，B原子半徑小，可以離散到焊接接頭熱影響區(qū)，細(xì)化熱影響區(qū)晶粒。Fe主要是過(guò)渡到熔池，增加焊接熔敷量。

6 性能試驗(yàn)及結(jié)果分析

對(duì)150mm+150mm的對(duì)接接頭進(jìn)行力學(xué)性能試驗(yàn)，焊接接頭性能檢測(cè)依據(jù)GB 50661—2011《鋼結(jié)構(gòu)焊接規(guī)范》要求進(jìn)行，檢測(cè)內(nèi)容為：焊接接頭化學(xué)成分、拉伸性能、低溫沖擊性能、宏觀金相及硬度。

6.1 焊縫化學(xué)成分

焊縫化學(xué)成分檢測(cè)使用X射線(xiàn)熒光光譜儀進(jìn)行分析，結(jié)果見(jiàn)表5。

表5 焊縫化學(xué)成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)） （%）

測(cè)試結(jié)果表明：焊縫化學(xué)成分合格，尤其是通過(guò)合金粉和焊劑向焊縫金屬中過(guò)渡了部分Ti、B、Ni元素，有細(xì)化組織晶粒、提高焊接接頭韌性的作用。

6.2 焊接接頭力學(xué)性能

焊接接頭力學(xué)性能試驗(yàn)依據(jù)GB/T 2651—2008《焊接接頭拉伸試驗(yàn)方法》以及GB/T 2653—2008《焊接接頭彎曲試驗(yàn)方法》，檢測(cè)結(jié)果見(jiàn)表6，均滿(mǎn)足GB 50661—2011標(biāo)準(zhǔn)要求。

表6 焊接接頭力學(xué)性能

6.3 接頭沖擊性能

焊接接頭沖擊吸收能量試驗(yàn)依據(jù)GB/T 2650—2008《焊接接頭沖擊試驗(yàn)方法》，取樣依據(jù)GB 50661—2011規(guī)定，如圖6所示，檢測(cè)結(jié)果見(jiàn)表7。

圖6 沖擊試樣取樣

表7 －20℃低溫沖擊試驗(yàn)結(jié)果 （J）

測(cè)試結(jié)果表明：焊縫及熱影響區(qū)沖擊吸收能量滿(mǎn)足GB 50661—2011《鋼結(jié)構(gòu)焊接規(guī)范》要求，且焊接接頭具有良好的低溫韌性?xún)?chǔ)備。

6.4 接頭宏觀金相

150mm+150mm對(duì)接接頭宏觀金相如圖7所示，焊接接頭熔合良好，無(wú)夾渣、咬邊、未熔合等缺欠。

圖7 150mm+150mm接頭宏觀金相

6.5 接頭硬度

接頭硬度試驗(yàn)依據(jù)GB/T 2654—2008《焊接接頭硬度試驗(yàn)方法》，檢測(cè)結(jié)果見(jiàn)表8，均≤350HV10。

表8 焊接接頭硬度 （HV)

7 結(jié)束語(yǔ)

1）對(duì)150mm超厚板對(duì)接焊縫多絲埋弧焊坡口及焊接工藝設(shè)計(jì)，能夠?qū)崿F(xiàn)大熱輸入條件下的全熔透焊接。

2）高效深熔三絲埋弧焊，配合特殊成分設(shè)計(jì)的焊接材料和填充材料，保證在高達(dá)600kJ/cm熱輸入下，焊接接頭各項(xiàng)指標(biāo)能達(dá)到GB 50661—2011《鋼結(jié)構(gòu)焊接規(guī)范》對(duì)Q355D鋼板焊接接頭的技術(shù)要求。